胡中平

（水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，430010，武漢）

黃金峽水利樞紐為引漢濟(jì)渭工程主要水源之一，也是漢江上游干流河段規(guī)劃中的第一個(gè)開(kāi)發(fā)梯級(jí)，位于漢江干流上游峽谷段，地處陜西南部漢中盆地以東的洋縣境內(nèi)，壩址下游55 km處為石泉水電站。工程的建設(shè)任務(wù)為：以供水為主，兼顧發(fā)電，改善水運(yùn)條件。

黃金峽水利樞紐由攔河壩、泄水建筑物、泵站、電站、通航建筑物和過(guò)魚(yú)建筑物等組成。攔河壩為混凝土重力壩，最大壩高63 m；水庫(kù)正常蓄水位450 m，死水位440 m，總庫(kù)容2.21億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.98億m3。河床式泵站安裝7臺(tái)水泵機(jī)組，總裝機(jī)功率12.6萬(wàn)kW；泵站設(shè)計(jì)流量70 m3/s，多年平均抽水量9.69億m3，設(shè)計(jì)揚(yáng)程106.45 m。壩后式電站安裝3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量13.5萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量3.51億kWh。通航建筑物為300 t級(jí)垂直升船機(jī)，過(guò)魚(yú)建筑物為豎縫式魚(yú)道。工程總工期52個(gè)月，總投資約51億元。

一、工程主要技術(shù)特點(diǎn)

1.樞紐洪水規(guī)模較大

漢江是長(zhǎng)江中游的重要支流，發(fā)源于秦嶺南麓，經(jīng)漢中盆地與褒河匯合后始稱(chēng)漢江，干流流經(jīng)陜西、湖北兩省，于武漢市入?yún)R長(zhǎng)江。干流全長(zhǎng)1 577 km，流域集水面積約15.9萬(wàn)km2。黃金峽壩址位于漢江干流上游，下距石泉水文站約52 km，壩址控制流域面積17 070 km2。漢江上游流域地處大巴山以北、秦嶺以南，該流域山高坡陡，巖層的透水性較小，使得洪水具有匯流速度快、陡漲陡落的特點(diǎn)。壩址處洪水規(guī)模較大，1 000年一遇校核洪峰流量 26 400 m3/s，100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量18 800 m3/s，10年一遇施工導(dǎo)流洪峰流量10 800 m3/s。壩址處河谷相對(duì)狹窄（壩頂高程處河谷寬約250 m），壩址洪水規(guī)模大，對(duì)樞紐總體布置、施工導(dǎo)流方式和泄洪消能影響較大。

2.壩址地質(zhì)條件好，地形條件獨(dú)特

壩址呈深切寬闊的圓底不對(duì)稱(chēng)“Ⅴ”字形，地形較完整，構(gòu)造簡(jiǎn)單，左岸分布一定寬度的河灘地形。壩基巖體為閃長(zhǎng)巖，可利用巖體主要為弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖體，屬堅(jiān)硬巖，巖體基本質(zhì)量分別為Ⅲ、Ⅱ類(lèi)。壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層一般規(guī)模較小，巖體較完整，緩傾角裂隙不發(fā)育，壩基抗滑穩(wěn)定條件好，兩岸壩肩邊坡整體穩(wěn)定。黃金峽壩址地質(zhì)條件適合修建混凝土壩，獨(dú)特的地形條件（河谷寬高比約1∶4，左岸分布河灘地）使得工程施工導(dǎo)流方式具有多種選擇，具備采用分期導(dǎo)流和隧洞導(dǎo)流方式的基本條件。

3.建筑物種類(lèi)多，構(gòu)成復(fù)雜

為滿足樞紐工程開(kāi)發(fā)和環(huán)保要求，樞紐主要建筑物包括攔河壩、泄洪消能建筑物、泵站、電站、通航建筑物、過(guò)魚(yú)建筑物、排沙建筑物、生態(tài)放水孔及導(dǎo)流建筑物等，建筑物種類(lèi)多，構(gòu)成復(fù)雜，存在相互干擾和制約，樞紐布置難度大。

二、工程關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

1.施工導(dǎo)流與樞紐總體布置

黃金峽水利樞紐由攔河壩、泄水建筑物、泵站、電站、通航建筑物、過(guò)魚(yú)建筑物和導(dǎo)流建筑物等組成，建筑物種類(lèi)多，構(gòu)成復(fù)雜，樞紐總體布置方案具有多樣性特點(diǎn)。獨(dú)特的地形條件使得施工導(dǎo)流方式亦具備多種選擇，且導(dǎo)流方案選擇與樞紐總體布置相互關(guān)聯(lián)、相互制約，因此，施工導(dǎo)流與樞紐總體布置是黃金峽水利樞紐面臨的首要關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。根據(jù)引漢濟(jì)渭工程總體布局，黃金峽水利樞紐泵站抽庫(kù)水入秦嶺輸水隧洞，由于秦嶺輸水隧洞位于漢江左岸，為便于泵站出水系統(tǒng)布置，泵站建筑物宜布置在左岸。壩址現(xiàn)有通往大河壩鄉(xiāng)的新修進(jìn)場(chǎng)公路位于左岸，為方便電站大件運(yùn)輸，并考慮與泵站配電設(shè)備集中設(shè)置，提高電站、泵站運(yùn)行管理便捷性，電站建筑物宜與泵站建筑物布置在河床同一側(cè)，即電站建筑物也布置在左岸。通航建筑物宜臨岸布置，所以布置在右岸。過(guò)魚(yú)建筑物采用魚(yú)道，為保證魚(yú)道下游進(jìn)水口具備常流水條件，一般考慮將魚(yú)道進(jìn)水口布置在電站尾水處，魚(yú)道宜布置在左岸。因此，黃金峽水利樞紐的樞紐布置格局為：主河槽布置泄水建筑物，左岸布置泵站、電站，右岸布置通航建筑物，左岸邊坡布置過(guò)魚(yú)建筑物。

漢江洪水具有陡漲陡落的特征，汛期10年一遇洪水達(dá)10 800 m3/s，導(dǎo)流建筑物的規(guī)模較大。泵站和電站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工時(shí)間長(zhǎng)，根據(jù)總進(jìn)度要求，施工導(dǎo)流方案應(yīng)保證泵站和電站具備全年施工條件。

根據(jù)壩址河谷條件滿足分期導(dǎo)流和隧洞導(dǎo)流的特點(diǎn)，結(jié)合樞紐布置格局，研究比較了兩期導(dǎo)流方案、三期導(dǎo)流方案、“過(guò)水圍堰+隧洞導(dǎo)流”方案和“全年圍堰+隧洞導(dǎo)流”方案，考慮到本工程壩址地形地質(zhì)條件、工程投資、施工工期、施工方案難易程度等因素，選擇采用兩期導(dǎo)流方案。一期圍左岸：首先利用土埂圍堰擋水，完成混凝土縱向圍堰和一期全年擋水上下游土石圍堰的施工；然后在一期全年擋水土石圍堰及混凝土縱向圍堰的圍護(hù)下，進(jìn)行泄洪沖沙底孔壩段、電站泵站施工，施工期間由右側(cè)束窄河道泄流。二期圍右岸：二期第一個(gè)枯水期利用二期上下游枯水期土石圍堰及混凝土縱向圍堰的圍護(hù)，澆筑表孔壩段及右岸擋水壩段；汛期表孔壩段停工，過(guò)水度汛；二期第二個(gè)枯水期，繼續(xù)進(jìn)行表孔壩段混凝土澆筑；二期枯水期泄水建筑物為泄洪沖沙底孔，汛期為泄洪沖沙底孔加表孔壩段缺口。

根據(jù)施工導(dǎo)流和樞紐布置格局確定的樞紐布置方案見(jiàn)圖1。

2.泄洪消能設(shè)計(jì)

黃金峽水利樞紐壩址處洪峰流量大，100年一遇設(shè)計(jì)和 1 000年一遇校核洪水的洪峰流量分別達(dá)到18 840 m3/s、26 430 m3/s， 泄洪消能建筑物規(guī)模大、水力學(xué)設(shè)計(jì)及運(yùn)行條件復(fù)雜。同時(shí)水庫(kù)調(diào)蓄能力小，河床寬度有限，下游水位變幅大，泄洪消能及下游河岸防沖刷問(wèn)題突出。為盡量減少溢流前緣寬度以及考慮到排沙、施工導(dǎo)流等，泄洪建筑物采用表、底孔結(jié)合布置方式，經(jīng)多方案比較，最終確定泄洪建筑物采用5個(gè)泄洪表孔和2個(gè)泄洪沖沙底孔。

泄洪沖沙底孔布置在河床中部?jī)蓚€(gè)壩段，每個(gè)壩段寬16 m，底孔采用有壓短管型式，進(jìn)口底高程406 m，孔口尺寸 8 m×12.5 m（寬×高），兩側(cè)邊墻厚4 m。底孔有壓段出口設(shè)弧形工作門(mén)，上游設(shè)事故檢修平板門(mén)。由于底孔單寬流量較大，出口高程低，經(jīng)研究底孔采用底流消能，下游設(shè)置140 m長(zhǎng)的消力池。

泄洪表孔布置于河床右側(cè)主河槽部位，共分為5個(gè)壩段，表孔壩段采用孔中分縫，中墩厚5.5 m，邊墩厚5 m，表孔堰頂高程425 m，孔口尺寸為 14 m×25 m（寬×高）。每孔布置1扇弧形工作門(mén)，由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，弧形工作門(mén)前布置1道疊梁檢修門(mén)槽，疊梁檢修門(mén)通過(guò)壩頂門(mén)機(jī)操作。由于泄洪表孔下游單寬流量大，表孔堰頂高程（425 m）較低，且下游水位高（校核洪水流量時(shí)，下游水位為427.77 m），經(jīng)多方案分析比較和模型試驗(yàn)研究，表孔采用寬尾墩加戽式消力池消能型式。

3.泵站、電站布置方案選擇

黃金峽水利樞紐主要任務(wù)為供水，泵站為樞紐最主要建筑物之一，泵站站址選擇及泵站型式對(duì)工程投資、施工、運(yùn)行和管理等影響較大，為本工程關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。結(jié)合壩址地形地質(zhì)條件和樞紐總體布置，對(duì)黃金峽泵站站址和泵站型式進(jìn)行了多方案研究，分別比較了瓦灘站址、良心河站址和壩后站址等3個(gè)站址以及地下泵站、岸邊泵站和壩后泵站等多種泵站型式。瓦灘站址和良心河站址位于黃金峽大壩上游水庫(kù)內(nèi)，瓦灘站址采用地下泵站，投資最大，運(yùn)行管理?xiàng)l件較差；良心河站址采用岸邊泵站，對(duì)應(yīng)黃三隧洞較短，但進(jìn)水條件稍差，工程投資比壩后站址大；壩后站址采用“河床泵站+壩后電站”聯(lián)合布置或 “河床電站+順河向岸邊泵站”布置。綜合比較，壩后站址具有樞紐布置緊湊、工程量少、投資省、施工條件好、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，故推薦壩后站址。由于壩址河谷寬度較窄，不具備并行布置河床式泵站和河床式電站的基本條件，結(jié)合施工導(dǎo)流和樞紐總體布置，泵站壩后站址方案采用了“河床泵站+壩后電站”布置方式。即泵站采用河床式、電站采用壩后式，均布置于左側(cè)河床，泵站、電站順流向前后布置，泵站廠房為擋水建筑物，和大壩一線并列布置，電站軸線平行于壩軸線（見(jiàn)圖2）。該種方案為特定條件下的獨(dú)特布置方式，具有布置緊湊，工程量較小，泵站、電站取水條件好，水頭損失小，運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)帶來(lái)泵站、電站進(jìn)水口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，泵站、電站運(yùn)行可能存在相互影響等不利因素。通過(guò)精細(xì)布置和優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了泵站和電站交錯(cuò)布置帶來(lái)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題；通過(guò)水工模型試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬分析，對(duì)泵站、電站分層布置條件下的進(jìn)水口水力特性進(jìn)行了深入研究，并根據(jù)研究成果優(yōu)化調(diào)整了泵站、電站進(jìn)水口布置和體型，解決了這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

4.高揚(yáng)程、大功率水泵設(shè)計(jì)

黃金峽泵站為高揚(yáng)程（水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程 106.45m)、大功率泵站(7×18MW），其泵站裝機(jī)規(guī)模位居國(guó)內(nèi)甚至亞洲前列，具有泵站規(guī)模大、裝機(jī)臺(tái)數(shù)多、不同時(shí)段輸水流量變化幅度大、水泵年利用小數(shù)高的特點(diǎn)。

水泵選型設(shè)計(jì)依據(jù)黃金峽泵站調(diào)水流量、樞紐布置、泥沙磨損等特性，充分利用國(guó)內(nèi)外大型泵站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和水泵制造廠的先進(jìn)技術(shù)，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，合理確定機(jī)組參數(shù)水平，不僅使水泵的性能先進(jìn)，符合國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平，還使水泵機(jī)組參數(shù)之間達(dá)到總體的最優(yōu)匹配。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，黃金峽泵站推薦選用7臺(tái) （1臺(tái)備用）單機(jī)容量18 MW、同步轉(zhuǎn)速為375 r/min的立式單級(jí)單吸離心泵及配套的電動(dòng)機(jī)組。

通過(guò)設(shè)置水泵變頻調(diào)節(jié)設(shè)施，可確保水泵穩(wěn)定高效運(yùn)行，減輕水泵運(yùn)行發(fā)生的振動(dòng)和空化，提高了供水的靈活性和準(zhǔn)確性。由此，黃金峽泵站不僅能滿足引漢濟(jì)渭工程近期年調(diào)水10億m3、泵站抽水流量為52 m3/s、遠(yuǎn)期年調(diào)水15億m3、泵站抽水流量為70 m3/s的工程調(diào)水任務(wù)要求，還有效地解決了調(diào)水不同時(shí)段輸水流量變幅大的難題。

黃金峽泵站采用7臺(tái)水泵共1個(gè)揚(yáng)水管，目前已建同等規(guī)模高揚(yáng)程、單機(jī)容量大的泵站中國(guó)內(nèi)沒(méi)有工程實(shí)例，同時(shí)泵組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)水泵啟動(dòng)方式復(fù)雜，流道中水力干擾大，水頭損失加大 （增加了水泵揚(yáng)程范圍），給水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。通過(guò)與多家科研單位聯(lián)合開(kāi)展泵站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算和水錘防護(hù)措施專(zhuān)題研究，提出了安全、合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的水錘防護(hù)措施及泵站水泵的開(kāi)停機(jī)運(yùn)行程序。

5.高水頭魚(yú)道設(shè)計(jì)

在通常情況下魚(yú)道一般適用于水頭低于25 m的樞紐，國(guó)內(nèi)已建魚(yú)道大多布置在低水頭閘壩上，提升高度都不大，吉林老龍口水利樞紐最大過(guò)魚(yú)水頭28m，為國(guó)內(nèi)已建水頭最高的魚(yú)道。黃金峽水利樞紐最大過(guò)魚(yú)水頭45.5m，為目前國(guó)內(nèi)水頭第二高的魚(yú)道，其水頭指標(biāo)在世界上也位居前列。

結(jié)合黃金峽水利樞紐的特點(diǎn)，在初步設(shè)計(jì)階段，分別采用水工整體模型、魚(yú)道池室局部模型和集魚(yú)誘魚(yú)系統(tǒng)物理模型，對(duì)樞紐上下游的環(huán)境流場(chǎng)、魚(yú)道池室的水力學(xué)條件和集魚(yú)渠水力學(xué)條件進(jìn)行了深入研究，基本確定了魚(yú)道總體布置和主要建筑物結(jié)構(gòu)型式。

根據(jù)模型試驗(yàn)成果并參考國(guó)內(nèi)外已建工程經(jīng)驗(yàn)，黃金峽過(guò)魚(yú)建筑物布置在左岸邊坡上，采用垂直豎縫式魚(yú)道，全長(zhǎng)約1 970 m，下游設(shè)1個(gè)主進(jìn)口，上游設(shè)5個(gè)出口，主要建筑物有廠房尾水集魚(yú)系統(tǒng)、魚(yú)道進(jìn)口、過(guò)魚(yú)池、魚(yú)道出口及補(bǔ)水系統(tǒng)等。

為了使進(jìn)魚(yú)口流速滿足誘魚(yú)要求，魚(yú)道主進(jìn)口和集魚(yú)渠配置補(bǔ)水系統(tǒng)。補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)有補(bǔ)水管、檢修閥門(mén)、工作閥門(mén)和補(bǔ)水渠等。補(bǔ)水系統(tǒng)通過(guò)補(bǔ)水管從上游補(bǔ)水，由工作閥門(mén)的開(kāi)度控制流量，經(jīng)補(bǔ)水渠消能進(jìn)入集魚(yú)渠。

三、結(jié) 語(yǔ)

黃金峽水利樞紐具有泄洪規(guī)模大，壩址地質(zhì)條件好，地形條件獨(dú)特，建筑物種類(lèi)多、構(gòu)成復(fù)雜等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)可研及初步設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)、科研、論證，對(duì)樞紐工程的主要技術(shù)特點(diǎn)以及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題做了充分的研究，提出了有效的解決方案，主要結(jié)論如下：

①黃金峽壩址河谷條件滿足分期導(dǎo)流、隧洞導(dǎo)流兩種導(dǎo)流方式，結(jié)合樞紐布置格局對(duì)分期導(dǎo)流、隧洞導(dǎo)流兩大類(lèi)多個(gè)導(dǎo)流方案及相應(yīng)樞紐布置方案進(jìn)行了深入研究，推薦采用兩期導(dǎo)流方案。

②壩址河谷狹窄，洪水流量大，樞紐泄洪消能建筑物規(guī)模大、水力學(xué)設(shè)計(jì)及運(yùn)行條件復(fù)雜，結(jié)合樞紐布置要求盡量減少溢流前緣寬度，以及考慮到排沙、施工導(dǎo)流等要求，泄洪建筑物采用窄高型大尺寸表、底孔結(jié)合布置方式，在河床中部布置5個(gè)泄洪表孔和2個(gè)泄洪沖沙底孔，底孔采用底流消能，表孔采用寬尾墩加戽式消力池消能。

③對(duì)泵站站址和泵站型式進(jìn)行了多方案比選，推薦采用“河床泵站+壩后電站”獨(dú)特創(chuàng)新的布置方式，解決了泵站、電站交錯(cuò)布置帶來(lái)的結(jié)構(gòu)型式和水流條件復(fù)雜等難題。

④黃金峽泵站具有高揚(yáng)程、大功率、裝機(jī)規(guī)模大等特點(diǎn)，依據(jù)黃金峽泵站調(diào)水流量、樞紐布置、泥沙磨損等具體特性，充分利用國(guó)內(nèi)外大型泵站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和水泵制造廠的先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化泵站布置，優(yōu)選水泵型式，合理確定機(jī)組參數(shù)水平，使水泵機(jī)組參數(shù)之間達(dá)到總體最優(yōu)匹配。

⑤黃金峽水利樞紐最大過(guò)魚(yú)水頭45.5 m，為目前國(guó)內(nèi)水頭第二高的魚(yú)道，根據(jù)模型試驗(yàn)成果并參考國(guó)內(nèi)外已建工程經(jīng)驗(yàn)，基本確定了魚(yú)道總體布置和主要建筑物結(jié)構(gòu)型式。